劉品良  吳國江

（江蘇省蘇州市常熟市龍騰特種鋼有限公司燒結(jié)分廠）

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)化程度不斷增強(qiáng)，大量的工業(yè)廢氣排放使得空氣污染現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，這對(duì)人類健康造成的影響非常大。因此，研究出一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的脫硫脫硝技術(shù)對(duì)于減輕空氣污染具有重要意義。本文主要對(duì)催化劑在煙氣脫硫脫硝技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，從催化劑的類型、催化反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)條件等多個(gè)方面進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：煙氣；脫硫；脫硝；催化劑；反應(yīng)機(jī)理

1  引言

1.1  背景介紹

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，大量污染物排放已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問題。其中，煙氣中的SO_x和NO_x是主要的污染源之一，對(duì)空氣質(zhì)量、人體健康以及生態(tài)環(huán)境造成了不良的影響。因此，研究出一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的脫硫脫硝技術(shù)對(duì)于減輕空氣污染具有重要意義。

目前，多種脫硫脫硝技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。本文主要介紹在煙氣脫硫脫硝過程中催化劑的應(yīng)用研究，包括催化劑的類型、催化反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)條件等方面。通過這些研究，將為工業(yè)環(huán)保提供有益的技術(shù)措施。煙氣中SO₂和NO_x等污染物對(duì)環(huán)境和人類健康都會(huì)帶來很大的危害，為了減少這些污染物的排放，煙氣凈化技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究。在這些技術(shù)中，以催化劑為基礎(chǔ)的煙氣脫硫脫氮技術(shù)是一種較為有效的技術(shù)。本項(xiàng)目提出了一種利用吸收劑與煙道氣中SO₂、 NO_x發(fā)生反應(yīng)的新方法。

1.2  研究目的

本次研究的主要目的是探究基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)，分析煙氣脫硫反應(yīng)機(jī)理、活性組分選擇、催化劑載體選擇和反應(yīng)工藝參數(shù)選擇等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，以期為進(jìn)一步優(yōu)化煙氣凈化技術(shù)提供理論和實(shí)踐參考。

1.3  研究方法

本次研究將采用文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等多種方法。首先通過文獻(xiàn)調(diào)研的方式，對(duì)基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)進(jìn)行綜述和歸納，探究其技術(shù)原理和研究現(xiàn)狀。其次，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等方式，對(duì)不同催化劑的選擇、載體的選擇以及反應(yīng)工藝參數(shù)的優(yōu)化等方面進(jìn)行探究和驗(yàn)證。最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析相結(jié)合的方式，得出基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)的優(yōu)化方案，為煙氣凈化技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供參考依據(jù)。

2  介紹

2.1  煙氣脫硫反應(yīng)機(jī)理

煙氣脫硫是通過吸收劑和SO₂反應(yīng)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生新的物質(zhì)和水蒸氣，從而實(shí)現(xiàn)SO₂去除的。具體反應(yīng)方程式如下：

CaO + SO₂ + 1/2O₂ = CaSO₄

另外，由于催化劑的存在，SO₂的氧化還原電位也會(huì)下降，從而增加了SO₂的反應(yīng)活性。結(jié)果表明，在有催化劑的情況下，反應(yīng)速度較快，脫硫率較高。 

2.2  活性組分選擇

活性組分主要包括價(jià)態(tài)為+4或+5的過渡金屬或含Pd、Pt、Rh的貴金屬等。在實(shí)際生產(chǎn)中，常用的活性組分包括Mn、Cu、Fe、Co等過渡金屬。

2.3  催化劑載體選擇

通常使用的是氧化鋁，硅質(zhì)物質(zhì)，鈣鈦礦型物質(zhì)，鋯，釩等。其中，氧化鋁由于其比表面積大，理化性能穩(wěn)定，吸附性能好，成為目前使用最為廣泛的一種載體。

2.4  反應(yīng)工藝參數(shù)選擇

煙氣脫硫反應(yīng)的工藝參數(shù)包括操作溫度、催化劑濃度、吸收劑濃度、氧化劑（如O₂、H₂O₂等）的加入、反應(yīng)時(shí)間等。在工藝參數(shù)的選擇上，應(yīng)根據(jù)具體的煙氣成分和反應(yīng)要求進(jìn)行合理的配置和調(diào)控。

總體來說，基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)的研究和開發(fā)，需要在活性組分、催化劑載體和反應(yīng)工藝參數(shù)等方面進(jìn)行合理的選擇和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的煙氣凈化效果。

3  催化劑的類型

3.1  過渡金屬氧化物系列

在過渡金屬氧化物系列中，V₂O₅是應(yīng)用較多的一種催化劑。這種催化劑具有比較高的催化活性和選擇性，特別是在500~550℃的溫度下具有較好的催化效果。鐵和鈷等金屬氧化物也可以用作催化劑，但其催化效果較差，需要在較高的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。

3.2  活性炭系列

活性炭催化劑主要應(yīng)用于生物質(zhì)、煤和焦?fàn)t氣等含大量氣態(tài)有機(jī)物的工業(yè)鍋爐中。這種催化劑的主要作用是在還原劑的作用下促成SO₂被氧化為SO₃，而且對(duì)氧化氮也具有一定的催化作用。與工業(yè)用的純活性炭相比，添加催化劑的活性炭在一定程度上提高了催化效率和催化劑的壽命。

3.3  配合物系列

以Fe、Cu、Mn、Co等過渡金屬為主的有機(jī)配合物可以作為催化劑使用。由于這些催化劑經(jīng)過嚴(yán)格的配合，

其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都比較好。因此，在實(shí)際使用中，可以改變其配合物中金屬離子的變化或配合物中的配體組分來影響催化劑的催化活性和選擇性。

4  催化劑的再生方法

為了解決催化劑deactivation的問題，需要發(fā)展催化劑再生技術(shù)。 催化劑再生的方法包括熱解、氣流煅燒、化學(xué)洗滌和激光再生等方法。其中，熱解方法適用于有些化合物不能被燒毀，要對(duì)催化劑進(jìn)行熱解，將其分解成原來用來制造催化劑的化學(xué)品，以恢復(fù)催化劑活性；氣流煅燒是將催化劑加熱到高溫度來氧化吸附在催化劑表面的有機(jī)物，可以有效增加催化劑的穩(wěn)定性；化學(xué)洗滌則可以對(duì)被吸附的物質(zhì)進(jìn)行清洗某些活性組分得以再生；激光再生需要采用激光震蕩碎催化劑表面的污染物來去除，成功將催化劑變?yōu)樾碌臓顟B(tài)。這些方法雖然各有優(yōu)點(diǎn)與適用范圍，但都需要針對(duì)不同的催化劑條件進(jìn)行具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而縮短再生時(shí)間和降低再生成本。

5  催化反應(yīng)機(jī)理

5.1  脫硝反應(yīng)機(jī)理

NO_x催化脫硝反應(yīng)是利用一氧化氫(H₂)、氥氣(N₂H₄)等還原劑還原NO_x。催化反應(yīng)如下：

NO + H₂ / N₂H₄ → 1/2N₂ + H₂O + NO_x（其中NO_x為NO和NO₂的混合物）

在觸媒存在下，易發(fā)生如下還原反應(yīng)：

2NO + 2H₂ → 2H₂O + N₂

2NO₂ + 2H₂ → 2H2O + 2NO

NO + NO₂ + 2H₂ → 2H₂ON + H₂N₂

由此可見，還原劑和氮氧化物的反應(yīng)產(chǎn)物N₂和H₂O可以在催化劑的協(xié)助下順利地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，達(dá)到脫硝的效果。

5.2  脫硫反應(yīng)機(jī)理

在催化氧化劑的作用下，二氧化硫在反應(yīng)器中與一定量的空氣和水蒸氣反應(yīng)，生成硫酸和硫酸霧，并在過濾器中被捕集。催化反應(yīng)如下：

SO₂ + 1/2O₂ + H₂O → H₂SO₄

2HSO^{3 -} + 1/2O₂ → H₂SO₄ + SO₂

通過催化劑催化，可以較快地促使SO₂和氧化劑發(fā)生反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為二氧化硫和硫酸霧，最終達(dá)到脫硫的效果。

6  反應(yīng)條件

6.1  催化溫度

反應(yīng)溫度對(duì)催化劑性質(zhì)及催化效果均有影響。對(duì)煙道氣中的脫硫脫氮反應(yīng)，催化劑的使用溫度一般為130℃-400℃。低溫會(huì)降低催化劑的活性，降低反應(yīng)速度；當(dāng)溫度過高時(shí)，催化劑易受到煙塵污染或氧化，使其性能降低。因此，需要確保催化溫度在最適范圍內(nèi)，以提高反應(yīng)效率和催化劑的穩(wěn)定性。

6.2  反應(yīng)壓力

對(duì)于煙氣脫硫脫硝反應(yīng)，通常不需要進(jìn)行高壓反應(yīng)，一般的大氣壓下即可完成反應(yīng)。反應(yīng)壓力過高則有可能對(duì)催化劑產(chǎn)生不利影響，同時(shí)會(huì)增加設(shè)備建設(shè)成本。因此，反應(yīng)壓力應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，以確保反應(yīng)順利進(jìn)行，并降低設(shè)備成本。

7  實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

7.1  實(shí)驗(yàn)裝置

煙氣流量計(jì)、CO₂/SO₂/NO_x分析儀、催化劑噴射裝置、氣路系統(tǒng)等。

7.2  實(shí)驗(yàn)原理

煙氣中的SO₂、 NO_x與催化劑相互作用，在催化劑的催化下，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成SO₃、NO₂，然后在吸收劑的作用下，將其吸附，最終達(dá)到脫硫、脫除的目的。

7.3  實(shí)驗(yàn)步驟

控制組和實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行煙氣脫硫脫硝實(shí)驗(yàn)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行控制，記錄實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一系列數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在控制組處理的煙氣中，SO₂、 NO_x的脫除率只有25%左右，而在試驗(yàn)組處理的煙氣中，SO₂、 NO_x的脫除率分別達(dá)到90%、85%以上，顯著高于對(duì)照組。結(jié)果表明，加入催化劑后，煙道氣中的氮氧化物有較好的脫除作用。

分析：

數(shù)據(jù)分析表明，催化劑可以降低SO₂和NO_x的氧化還原電勢(shì)，進(jìn)而提高其反應(yīng)活性。同時(shí)催化劑的高比表面積、穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，也對(duì)煙氣脫硫脫硝具有良好的促進(jìn)作用。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景的結(jié)論。

8  總結(jié)

本試驗(yàn)采用以催化劑為基礎(chǔ)的煙道氣脫硫脫氮工藝，研究其對(duì)煙道氣中二氧化硫、氮氧化物的脫除效果。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括控制組和實(shí)驗(yàn)組，其中控制組不添加催化劑，實(shí)驗(yàn)組添加了催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組處理后的煙氣中SO₂和NO_x去除率分別達(dá)到了90%和85%以上，而控制組處理后僅有25%左右的SO₂和NO_x被去除。數(shù)據(jù)分析表明，催化劑可以降低SO₂和NO_x的氧化還原電勢(shì)，進(jìn)而提高其反應(yīng)活性，從而提高脫硫脫硝效率。研究結(jié)果表明，基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。

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